Niewidzialność Technika kamuflażu Maria Gazda, http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/ Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG, Katedra Fizyki Ciała Stałego,

Technika kamuflażu Technika kamuflażu rozwija się nieustannie. dawniej teraz

Natura mistrzem kamuflażu

Mistrzowie kamuflażu w naturze Kameleon 2 warstwy wyspecjalizowanych komórek leżących poniżej przezroczystej zewnętrznej skóry

Mistrzowie kamuflażu w naturze Flądra tropikalna jest w stanie w czasie 2-8 sekund dostosować swój wygląd do podłoża. V. S. Ramachandran et al.. Nature 379 (1996), 818.

Jak osiągnąć niewidzialność? Czapka niewidka: w mitologii greckiej Hades i Perseusz używali czapki niewidki (szyszak i hełm); Amulety i inne przedmioty: koralik - „Karolcia”, M. Krüger, pierścień - „Władca pierścieni”, „Hobbit” J.R.R. Tolkiena Peleryna niewidka: mitologia nordycka, Harry Potter; Niewidzialność „na życzenie”: Chińskie smoki, na życzenie stawały się tak małe, że człowiek ich nie widział;

Czy niewidzialność to tylko fikcja literacka?

Niewidzialność: fikcja literacka?

Plan Ukrywanie obiektów przed wykryciem przez radar (technologia stealth); Techniki anty-kamuflażu; Kamuflaż optyczny Za pomocą nowoczesnych urządzeń optoelektronicznych; Za pomocą tzw. metamateriałów;

Jak ukryć samolot lub statek przed radarem?

Historia Wbrew pozorom, prace nad poszukiwaniem sposobów ukrycia okrętów podwodnych przed radarem nie są nowe. Początki sięgają II wojny światowej. Zastosowano wówczas materiały absorbujące promieniowanie. gruby (7.5 cm) wielowarstwowy materiał złożony z warstw oporowych przedzielonych plastikiem o małej stałej dielektrycznej; warstwę gumy z cząstkami magnetycznymi (kompozyt), absorbującą promieniowanie 3 GHz;

Jak obliczyć „widzialność”: przekrój czynny. Moc promieniowania rozproszonego przez obiekt na jednostkę kąta bryłowego (steradian) w kierunku radaru podzielona przez gęstość mocy promieniowania padającego na obiekt. Wielkość ta (Radar Cross Section, RCS) ma wymiar powierzchni.

Przykłady B –52 100 B-1A 10 B-1B 1 F-117A 0,1 B-2 0,01 Typowy RCS - Skuteczna powierzchnia odbicia (m2) Ciężarówka 200 Liniowiec Jumbo jet 100 Duży bombowiec 40 Duży samolot myśliwski 5-6 Dorosły mężczyzna 1 Konwencjonalne pociski 0.5 Ptaki 0.01 Insekty 0.00001 Źródło: Skolnick, Introduction to Radar Systems  

Jak działa radar? Antena wysyła silny impuls fal radiowych; Impuls natrafia na samolot i odbija się; Odbity sygnał jest rejestrowany przez tę samą antenę; Howstuffworks.com

Jak oszukać radar? Tak odbić promieniowanie, że nie trafi ono do detektora: Kształt; Struktura powierzchni; Pochłonąć promieniowanie padające i zamienić je na ciepło: Materiały absorbujące promieniowanie;

Kształt Piotr Ufimtsev w 1966 roku opublikował “Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction” Obliczył przekroje czynne różnych obiektów 2D; Echo 1 – program komputerowy do obliczania optymalnych kątów dla samolotów F-117A Samolot powinien składać się z wielu płaskich powierzchni.

Kształt Łatwo to zrozumieć patrząc na bieg promienia światła po przejściu np. przez taki żyrandol jak na rysunku obok.

Kształt Gdy kształt samolotu jest zaokrąglony, wówczas zawsze część promieniowania odbitego dotrze do detektora.

Kształt: gdy jest wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni: jest jeszcze lepiej

Kształt: wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni

Kształt: bardziej aerodynamiczne powierzchnie W latach 1980-tych rozpoczęto komputerowe projektowanie kształtu samolotu. Pozwoliło to na bardziej aerodynamiczne kształty.

Kształt: bardziej aerodynamiczne powierzchnie

Struktura powierzchni samolotu RADAR beam Wielokrotne odbicia w różnych kierunkach

Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowanie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się.

Struktura powierzchni samolotu Również efekty dyfrakcyjne mogą być wykorzystane w tzw. powierzchniach selektywnych (frequency-selective surfaces), zbudowanych w postaci równomiernie rozłożonych struktur pełniących funkcję anten.

Materiały absorbujące promieniowanie Kompozyty: drobiny materiału magnetycznego lub elektrycznego w matrycy dielektrycznej

Jak materiał absorbuje promieniowanie: Materiały magnetyczne: Promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materiałem magnetycznym: powoduje przemagnesowanie, ruch domen magnetycznych itd. Powoduje to straty energii promieniowania padającego i zamianę jej na ciepło.

Jak materiał absorbuje promieniowanie Materiały przewodzące Zmienne pole elektryczne indukuje prąd w materiale.Materiał ma opór, pojemność, indukcyjność, z przepływem prądu wiążą się straty energii, tzn. energia fali elektromagnetycznej zamienia się w ten sposób na ciepło.

Materiały absorbujące promieniowanie Obecność fazy magnetycznej (przewodzącej) powoduje oddziaływanie promieniowania z materiałem i straty energii. Obecność fazy niemetalicznej powoduje, że promieniowanie wnika do wnętrza materiału.

Technologia anty-antyradarowa Radar pracujący przy długościach fali większych niż rozmiar samolotu. Bi- i multistatyczne radary Radary szerokopasmowe (trudniej zrobić materiał RAM)

Bi- i multistatyczne radary Radary najczęściej pracują impulsowo: emitują silny impuls promieniowania i następnie mierzą impuls odbity od przeszkody. W rezultacie, łatwo je wykryć. Obecne tendencje są takie, aby radar emitował promieniowanie ciągłe, odpowiednio modulowane, a detekcja odbywała się za pomocą innych anten.

Bi- i multistatyczne radary NOTABENE: Pierwsze radary emitowały falę ciągłą i były bistatyczne. Dużym problemem było tło i rozmaite zakłócenia z ziemi. Dlatego rozwinięto techniki impulsowe. Obecnie, wskutek rozwoju cyfrowych technik obróbki sygnału stał się możliwy rozwój technik nieimpulsowych. Pierwszy praktycznie stosowany radar ciągły (tylko Dopplerowski) to radar policyjny.

Bi- i multistatyczne radary Więcej niż jedna antena odbiorcza.

Bi- i multistatyczne radary Takie radary mają większą czułość, większy zasięg, a wyniki są bardziej jednoznaczne. Zasięg praktycznie zależy jedynie od ilości anten odbiorczych.

Radar TV Przeprowadzono eksperymenty z zastosowaniem fal UHV do detekcji obiektów wojskowych. Pierwsze eksperymenty dały nie najlepszy rezultat (zasięg 10 km).

Technologia anty-antyradarowa: inne metody Detekcja gazów wydechowych Wykorzystanie subtelnych efektów polegających na tym, że końcówki skrzydeł generują turbulencje, które zmieniają współczynnik załamania światła, co odbija sygnał radaru.

Kamuflaż termiczny

Kamuflaż termiczny Rozkład energii światła słonecznego 5% UV (mniej niż 400 nm) 45% zakres widzialny 50% podczerwień

Kamuflaż termiczny Każdy człowiek, każdy obiekt, urządzenie, pojazd itd. emituje promieniowanie cieplne o intensywności i zakresie długości fali zależnym od temperatury powierzchni ciała i jej zdolności emisyjnej.

Kamuflaż termiczny Obiekty o temperaturze około 500oC emitują promieniowanie o l  1 – 2 mm; 50-200oC: l  3 – 5 mm 20 - 100oC: l  8 – 12 mm

Kamuflaż termiczny Czułość detektorów termicznych jest obecnie taka, że mogą one zmierzyć różnicę temperatur między obiektem a otoczeniem 0.1oC i mniej. Ukrycie np. czołgu na tle otoczenia, które ma np. 20 oC jest ekstremalnie trudne. W dodatku temperatura otoczenia się zmienia.

Materiały Warstwy (np. farby) zmniejszające współczynnik odbicia promieniowania IR zawierają zazwyczaj drobiny metalu, które musza być tak przygotowane aby nie odbijały zbyt silnie promieniowania widzialnego. Może to być też materiał warstwowy (tkanina, folia metalowa, tkanina). Want to keep the same visible colour of the ship, the reflectivity in the visible region must be similar to the existing reflectivity in that region of the spectrum. Can still reflect up to 50% of the solar radiation in the NIR. Look at new material formulations that preserve colour scheme and give increased reflectivity in NIR. The reflectivities are seen in the graph, showing the same reflectivity in the visible and various levels of increased reflectivity in the NIR.

Porównanie Statek pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy. Solar reflective coating reduces thermal signature, and reduces the chances of detection. Czołg pokryty warstwą ochronną (lewy) i bez warstwy.

Niewidzialność optyczna

Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Optoelektroniczne układy, sensory i ekrany zbudowane tak, aby niektóre obiekty wydawały się wręcz przezroczyste. Jest to kamuflaż, który dostosowuje się do warunków otoczenia.

Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Układ składa się z elastycznych wyświetlaczy tworzących płaszczyznę osłaniającą wszystkie powierzchnie ukrywanego obiektu. Każdy ekran jest wyposażony w sensory, które rejestrują obraz przed sobą. Obraz ten jest przekazywany do wyświetlacza z drugiej strony obiektu i tam wyświetlany (każdy ekran wyświetla to, co jest ZA NIM). http://projects.star.t.u-tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/VRIC2003.pdf

Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych

Materiał peleryny niewidki jest pokryty tysiącami kuleczek, które odbijają światło idealnie do tyłu. Taki materiał jest idealnie nieprzezroczysty - pełni funkcję ekranu.

Kamuflaż optyczny za pomocą urządzeń optoelektronicznych Nie jest to, niestety, prawdziwy i idealny kamuflaż Jest właściwie jednokierunkowy; Wymaga wyposażenia technicznego; Nie likwiduje cienia.

“It’s optics but not as you know it, Jim” Prawdziwa niewidzialność?

Metamateriały Prawdziwą niewidzialność można osiągnąć tylko, jeśli światło będzie uginać się wokół obiektu.

Jak ugiąć światło? Światło rozchodzi się prostoliniowo. Aby ugiąć promień światła, potrzebny jest materiał o odpowiednim współczynniku załamania światła.

Jak ugiąć światło? Aby światło rozchodzące się w powietrzu, napotykając materiał ugięło się wokół niego, musi on mieć ujemny współczynnik załamania. Nature 445(2007), 346. A.D. Boardman, N. King, Univ. Of Salford, UK, "Frontiers of Physics"

Zwyczajne załamanie światła

Czy takie załamanie jest możliwe?

Ujemny współczynnik załamania światła Współczynnik załamania światła materiału jest ujemny gdy jego przenikalność elektryczna i magnetyczna są jednocześnie ujemne.

Czy istnieje materiał o ujemnym n? Dielektryki This coordinate-plane shows the materials for positive and negative epsilon and mu. The ray of light shows the typical behaviour, when lights hits the surface of the material. If only one of the two is negative, the refractive index is just imaginary and the light cannot propagate through the medium and so is totally reflected.

Czy istnieje materiał o ujemnym n? Plazma, gaz elektronowy Dielektryki This coordinate-plane shows the materials for positive and negative epsilon and mu. The ray of light shows the typical behaviour, when lights hits the surface of the material. If only one of the two is negative, the refractive index is just imaginary and the light cannot propagate through the medium and so is totally reflected.

Czy istnieje materiał o ujemnym n? Plazma, gaz elektronowy Dielektryki This coordinate-plane shows the materials for positive and negative epsilon and mu. The ray of light shows the typical behaviour, when lights hits the surface of the material. If only one of the two is negative, the refractive index is just imaginary and the light cannot propagate through the medium and so is totally reflected.

Czy istnieje materiał o ujemnym n? n urojone : silna absorpcja Nie istnieje! Trzeba go zbudować. Jest to tak zwany METAMATERIAŁ n urojone : silna absorpcja n < 0

Jak zrobić metamateriał? Potrzebny jest materiał z ujemnym e i m w tym samym (najlepiej optycznym) zakresie częstotliwości. As mentioned, the plasma frequency can be tuned by changing the carrier density in a material, so using thin wires reduces the carrier density and therefore the plasma frequency.

Zjawiska rezonansowe Ey I Rezonans elektryczny (ujemne ε) Rezonans w układzie cienkich drutów prowadzi do ujemnego e I Ey This behaviour can be explained with the Drude-Lorentz-Model, where two charges of opposite sign are coupled with a spring. The resonance frequency of the system is omega 1. You can derive these equations by using the differential equation of an oscillator with damping, driven by an external field. Rezonans elektryczny (ujemne ε)

Zjawiska rezonansowe Rezonans magnetyczny w przeciętym pierścieniu prowadzi do ujemnego m: To obtain a magnetic oscillating circuit one can use so called split-ring-resonators (srr). By attempting a varying magnetic field with direction as shown above, a current flows, inducing a magnetic field, pointed in the opposite direction (phase shift depends on oscillating frequency). In principle, this is simply a LC circuit, and these two parameters can be varied by the geometry of the srr. The wavelengths of the EM wave has to be much larger than the srr. For a metamaterial, one has to put these srrs together to a three-dimensional structure, then a magnetic wave can move through the material. J.B.Pendry et al., 1999

Zjawiska rezonansowe I Ey I Hx Potrzebny jest materiał z ujemnym e i m w tym samym zakresie częstotliwości. I I Ey As mentioned, the plasma frequency can be tuned by changing the carrier density in a material, so using thin wires reduces the carrier density and therefore the plasma frequency. Hx Rezonans magnetyczny (ujemne μ) Rezonans elektryczny (ujemne ε) A.D. Boardman, N. King, Univ. Of Salford, UK, "Frontiers of Physics"

Smith et al: Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000) Pierwsze wyniki Pierwszy materiał o ujemnym współczynniku załamania otrzymano w 2000 roku (w zakresie mikrofal: l = 6 cm) Smith et al: Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000)

Pierwsze wyniki D. Schurig et al.. Science 314 (2006) 577 (l = 3,5 cm, Duke University)

Wyniki doświadczalne (2000-2006) Pierwsze wyniki (2000-2002) – mikrofale (5 GHz -20 GHz) Później (2002-2005) – podczerwień GHz, THz, Obecnie – promieniowanie widzialne

Od mikrofal do światła widzialnego W ciągu 6 lat długość fali zmniejszyła się od 6 cm do 750 mm.

Najnowsze wyniki Praktycznie jednocześnie: 11 i 13 sierpnia 2008 w Nature i Science opublikowano dwa doniesienia o trójwymiarowych materiałach o ujemnym współczynniku załamania w zakresie widzialnym.

Metamateriał zbudowany z nanodrutów srebrnych umieszczonych w matrycy Al2O3. J. Yao et al., Science 321, 930 (2008) , University of California, Berkeley.

J Valentine et al. Nature 455, 376 - 379 (11 Aug 2008), a, 21-warstwowa struktura o parametrach of p = 860 nm, a = 565 nm i b = 265 nm. b, Struktura składa się z naprzemiennie ułożonych warstw Ag (30 nm) i MgF2 (50 nm) J Valentine et al. Nature 455, 376 - 379 (11 Aug 2008),

Metamateriały akustyczne José Sánchez-Dehesa i współpracownicy z Polytechnic University of Valencia w Hiszpanii obliczyli, że można zrobić akustyczny metamateriał. Materiał taki powinien składać się z cylindrycznych prętów lub z kulek wypełnionych powietrzem. Sfera ciszy Physics World, Jan 17, 2008

Literatura Paul Saville, DRDC Atlantic / Dockyard Laboratory Pacific Davin E. Leinenbach Krzysztof Kulpa, Uniwersytet Warszawski „Continuous wave radars-monostatic, multistatic and networks” http://www.chameleonnews.com/ Wiedza i życie „Atak z powietrza” 3/99, (9/89) H.D. Griffiths, University College London, „Bistatic and multistatic radar”

Dziwne zjawiska w materiałach o ujemnym n Here one can see the POV-Ray simulation of a glass empty, filled with water with refractive index = 1.2 and filled with „Meta“-Water with refractive index = -1.2

Dziwne zjawiska zwykły metamateriał Obraz pozorny Obraz rzeczywisty przezroczysty Obraz pozorny Obraz rzeczywisty

Zastosowania metamateriał powietrze powietrze Źródło punktowe obraz Idealne, płaskie soczewki

Zastosowania Idealne, płaskie soczewki  = -1 i  = -1 V. G. Veselago, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968). J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).

Dziwne zjawiska w materiałach o ujemnym n TOP: An object thats moving away from us with high velocity seems to be red shifted due to the doppler effect. If the space between us and the object is filled with metamaterial, then the object is blue shifted. BOTTOM: In a medium with positive refractive index, the energy, group and phase velocity point in the same direction. With negative refractive index, the phase velocity points in the opposite direction